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电阻式传感器工作原理

文章出处:redbett.com  编辑:升威电子  发表时间:2017-02-27

电阻式传感器分类

电阻式传感器根据制作材料的不同,电阻应变片通常分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类:金属电阻应变片就是利用金属电阻的应变效应原理制成的,而半导体应变片则是利用半导体材料的压阻效应原理制成,因此应用半导体应变片的电阻式传感器通常又称为压阻式传感器.

 

电阻式传感器工作原理

导体或半导体材料在受到外界力(拉力或压力)作用时,将产生机械变形,机械变形会导致其电阻值变化,这种因形变而使其电阻值发生变化的现象称为“应变效应”。

设有一根电阻丝,如图2.11所示,它在未受力时的初始电阻为

式中 ρ——电阻丝的电阻率;

l ——电阻丝的长度;

S——电阻丝的截面积。

电阻式传感器原理

图2.11 金属丝伸长后几何尺寸变化

设电阻丝在外力F的作用下被拉伸(或压缩),则其ρ、l 、S均发生变化,变化量分别为dρ、dl、dS,电阻值相应变化为dR,由多元函数微分得

dR = ∂R dl + ∂R dS + ∂R dρ

∂l ∂S ∂ρ= ρ dl −ρ dS + l dρ (      2-23)
用相对变化表示式(2-23)得
dR = dl − dS + dρ          (2-24)

实验证明,电阻丝及应变片的电阻相对变化量dR ¤ R与材料力学中的轴向应变e的关系在很大范围内是线性的,即 

dR/ R=Kε

K电阻应变片的灵敏度

一下列举几种应变片的技术指标

应变片指标

四、测量电路

应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/R,要把电阻的变化转换成电压或电流的变化,才能用电测仪表进行测量。电阻应变片的测量线路多采用交流电桥(配交流放大器),其原理和直流电桥相似。直流电桥比较简单,因此首先分析直流电桥,如图所示。当电源E为电势源,其内阻为零时,可求出检流计中流过的电流Ig与电桥各参数之间的关系为

测量电路

测量电路

式中  Rg为负载电阻,因而其输出电压Ug为

测量电路

R1R4=R2R3时,Ig=0,Ug=0,即电桥处于平衡状态。

若电桥的负载电阻Rg为无穷大,则B、D两点可视为开路,上式可以化简为

测量电路

R1为应变片的阻值,工作时R1有一增量ΔR,当为拉伸应变时,ΔR为正;压缩应变时,ΔR为负。在上式中以R1+ΔR代替R1,则

测量电路

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